核スピン偏極希ガスの製造装置と核磁気共鳴分光装置並びに核磁気共鳴イメージング装置
【課題】 バッチ方式とフローセル方式の双方の特徴を生かし、かつ偏極希ガスの生成効率とその利用効率性にも優れたシステムを提供する。
【解決手段】 隙間には希ガスと光ポンピング用触媒の混合気体が流通する平面型セル部と、レーザー光を照射して平面型セル内に励起用光を照射するレーザー光照射部と、磁場印加部と、平面型セル部の温度調節部とを備えた核スピン偏極希ガスの製造装置であって、前記平面型セル部は、平板面の一方がレーザー光透過性とし、核スピン偏極希ガスの導出部を有し、気体導入部は、バルブを開けた時に気体導入のための上流側から平面型セル部である下流側を見通すことが可能な構造のバルブにより、核スピン偏極希ガスの導出部は上流側から生成された核スピン偏極希ガスの導出部となる下流側を見通すことが可能な構造のバルブにより導出と停止が自在とされ、該導出部には極細キャピラリー管が連結と脱着可能に設けられている。
【解決手段】 隙間には希ガスと光ポンピング用触媒の混合気体が流通する平面型セル部と、レーザー光を照射して平面型セル内に励起用光を照射するレーザー光照射部と、磁場印加部と、平面型セル部の温度調節部とを備えた核スピン偏極希ガスの製造装置であって、前記平面型セル部は、平板面の一方がレーザー光透過性とし、核スピン偏極希ガスの導出部を有し、気体導入部は、バルブを開けた時に気体導入のための上流側から平面型セル部である下流側を見通すことが可能な構造のバルブにより、核スピン偏極希ガスの導出部は上流側から生成された核スピン偏極希ガスの導出部となる下流側を見通すことが可能な構造のバルブにより導出と停止が自在とされ、該導出部には極細キャピラリー管が連結と脱着可能に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核スピン偏極希ガスの製造装置と、この装置と連結されて、生成された核スピン偏極希ガスを用いる核磁気共鳴分光装置並びに核磁気共鳴イメージング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
常圧のガスは、液体や固体に比べ原子密度が低く、従来は核磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）や磁気共鳴イメージング法（ＭＲＩ）の対象とはなっていなかった。
【０００３】
しかしながら、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属の蒸気と、質量数１２９のキセノン同位体（129Ｘｅ）、質量数３のヘリウム同位体（SＨｅ）等のスピン量子数１／２の核スピンを持つ単原子分子からなる希ガスとを共存させ、円偏光レーザーを照射して電子スピン系を励起する（「光ポンピング」という。）と、希ガスのスピン系を偏らせる（偏極）ことができる。
【０００４】
これによりＮＭＲ信号強度が数万倍増強され、同体積の水を用いた場合と比べても１００倍以上強いＮＭＲ信号が得られることが報告されてから、偏極希ガスを用いたＮＭＲ／ＭＲＩ法が注目されるようになってきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
ここで、偏極とは、主静磁場に対する配向状態に対応する原子核の核スピンのエネルギー準位を占有するスピン数の分布が、熱平衡時におけるその分布（ボルツマン分布）に比べて、極端に偏っていることをいう。
【０００６】
偏極希ガスを生成する過程は、一般に光ポンピングと呼ばれている。この原理は、たとえば、まず、ルビジウムの基底状態準位にある電子が、光吸収により励起されて励起状態準位を経由した後、基底状態準位に戻る際、外部から印加した磁場によって磁気的に縮退が解かれたルビジウムの基底状態準位の内の電子準位の一方の準位に、高い確率で遷移して、ルビジウム分子の電子スピン偏極度が高い状態を形成する。そして、この高偏極状態のルビジウムがキセノン等の希ガスと衝突して、この過程でルビジウムの高偏極状態がキセノン等の希ガスの核スピン系に移動することによって、偏極した希ガスとなるものである。
【０００７】
具体的には、図５に示したように、光ポンピングによって、129Ｘｅの核スピンのエネルギー準位が分裂し、占有するスピン数の分布に偏り（スピン占有数差）を生じる。この光ポンピングの際に外部から印加される磁場は、１０-2Ｔ（テスラ）（１００ガウス）程度の低磁場である。この偏極した129Ｘｅを、このままの状態で測定するのではなく、さらに０．３Ｔ程度の高磁場の核磁気共鳴分光装置や磁気共鳴イメージング装置に導入することで、スピン占有数差を維持したままで、２つのエネルギー準位間の共鳴周波数を高くすることができるため、ＮＭＲ検出感度を向上することができる。
【０００８】
核スピン偏極希ガスを用いたＮＭＲ／ＭＲＩ法では、従来の一般的なＮＭＲ／ＭＲＩ法と異なり、必ずしもＮＭＲ信号を積算して測定することはしない。したがって、ＮＭＲ信号を１回しか測定しないため、核スピン偏極希ガス生成セルで光ポンピングにより生成した核スピン偏極希ガスを、そのスピン占有数差を維持したままで、核磁気共鳴分光装置や磁気共鳴イメージング装置まで送給するのが望ましい。
【０００９】
以上のような核スピン偏極希ガスの製造については希ガスを滞留させた状態で、すなわちバッチ方式による核スピン偏極希ガスに変換する方法や、フローセルを用いた連続的な変換を行う方法が各種提案されている。
【００１０】
しかしながら、従来の方法においては、いずれも偏極希ガスの生成効率が低く、その利用効率は利用能率が悪いという問題があったことから、本出願の発明者らは、これまでに以下の装置を提案している。
【００１１】
（１）固体ルビジウムと固体キセノンとが酸素不在の減圧状態で封入されたガラスセルを加温して気体キセノンと気液混合ルビジウムとする手段と、該ガラスセルに磁場をかけてレーザー光を照射する手段と、を具備し、更には、生成した核スピン偏極キセノンガスを取り出しながらキセノンガスを導入する手段と該操作を圧力が降下しないように制御する圧力調整手段とを具備することを特徴とする核スピン偏極希ガスの製造装置（特許文献２）。
【００１２】
（２）隙間を介して対向する平板面を有し、照射するレーザー光の光パワー密度が充分に生かせる範囲の照射面積を有する平面型フローセル部内の隙間に希ガスと光ポンピング用触媒の混合気体を一方向に流通させるとともに、隙間を有するフローセル部内には励起光を照射し、かつフローセル部の励起光照射面に垂直に磁力線が通過するように磁場を印加するようにした核スピン偏極希ガスの製造装置（特許文献１）。
【００１３】
上記の新しい装置（１）においては、従来のバッチ方式の手段では、キセノンを、たとえばヘリウム２％キセノン濃度程度に薄めて偏極させ、生成したキセノンを含むガスを液体窒素で凍らせ、これを加温してキセノンのみを取りだし、高濃度キセノンガスを製造していたので、極めて作業能率が悪い問題があり、また、従来のガス等を滞留させて偏極させる装置は、連続的に偏極希ガスを発生させることができないので、いちいち偏極ガスを別の容器に取り出してＮＭＲ装置等まで運ぶため手間がかかり、またその間に偏極率が減少するという問題があったが、このような問題点を解消して、凍らせなくとも高濃度の偏極キセノンガスを得られると共に連続的に偏極キセノンガスを発生させることができるようにしたものである。
【００１４】
一方、発明者の提案に係わる装置（２）では、フローセルの形状と励起光源を改良して、安全にガスを流しながら偏極率をさらに向上させた偏極希ガスの製造装置とこの装置を用いての偏極率の高い希ガスを製造する方法を提案することを課題としている。そしてまた、この出願の発明は、このような改良された装置と方法によって連続的に偏極希ガスを発生させた後に、偏極率を減少させずに短時間でＮＭＲ・ＭＲＩ測定を行えるようにし、この装置を用いることで、検出感度の高い測定時間の短い極微小領域での検出が可能なＮＭＲ・ＭＲＩ測定を実現可能としている。
【００１５】
さらにまた、発明者らは、核スピン偏極希ガスのスピン占有数差が減少して、ボルツマン分布の状態に近づく現象を「スピン緩和」と呼ぶが、このスピン緩和が起ると、ＮＭＲ信号強度が減少するため好ましくなく、スピン緩和の起る主な原因としては、セルや配管等の内壁と衝突によって、核スピン偏極希ガスの電子雲がひずむことが考えられることから、スピン緩和の発生を抑制して、長距離送給しても核スピン偏極希ガスのＮＭＲ信号強度が低下しない核スピン偏極希ガス製造装置と、この核スピン偏極希ガス製造装置を組み込んだ核スピン偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置並びに磁気共鳴イメージング装置を提供するためには、希ガスをアルカリ金属存在したで光ポンピングして核スピン偏極希ガスを生成する核スピン偏極希ガス生成セルと、前記の偏極希ガス生成セルの下流に、内径０．１〜１．２５ｍｍの極細キャピラリー管を備えることが有効であることを見出し、改善された新しい装置を提案してもいる。
【特許文献１】特開２００３−２４５２６３号公報
【特許文献２】特開２００４−２６２６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記のとおりの発明者らのこれまで提案の装置や方法は各々の特徴を有し、優れた効果を奏するものであるが、バッチ方式とフローセル方式の双方の特徴を生かし、しかも装置そのものの製造、組立て、メンテナンスが容易であって、かつ偏極希ガスの生成効率とその利用効率性にも優れたシステムを構成するとの観点においては検討すべき余地が残されていた。
【００１７】
そこで、本発明は、以上の課題を解決することのできる新しい核スピン偏極希ガスの製造装置を提供し、これを核磁気共鳴分光装置、あるいは核磁気共鳴イメージング装置へ利用することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するものとして、以下の装置を提供する。
【００１９】
第１：隙間を介して対向する平板面を有し、隙間には希ガスと光ポンピング用触媒の混合気体が流通する平面型セル部と、レーザー光を照射して平面型セル内に励起用光を照射するレーザー光照射部と、平板面に垂直もしくは略垂直に磁力線が通過するようにした磁場印加部と、平面型セル部の温度調節部とを備えた核スピン偏極希ガスの製造装置であって、前記平面型セル部は、少なくとも平板面の一方がレーザー光透過性とし、希ガス導入のための気体導入部と生成された核スピン偏極希ガスの導出部を有し、気体導入部は希ガスの導入とその停止が、バルブを開けた時に気体導入のための上流側から平面型セル部である下流側を見通すことが可能な構造のバルブにより切換え自在とされているとともに、核スピン偏極希ガスの導出部は平面型セル部である上流側から生成された核スピン偏極希ガスの導出部となる下流側を見通すことが可能な構造のバルブにより導出と停止が切換え自在とされ、かつ、該導出部には極細キャピラリー管が連結と脱着可能に設けられていることを特徴とする核スピン偏極希ガスの製造装置。なお、上記のバルブについての「見直す」との言葉は、バルブを開放した時にバルブの前方位置から後方までを見る、見直すことができることを意味している。たとえばゲートバルブ等においてこの「見直す」ことが可能とされている。
【００２０】
第２：平面型セル部は、光ポンピング用触媒の供給部を、気体導入部と一体または別体として備えていることを特徴とする上記の核スピン偏極希ガスの製造装置。
【００２１】
第３：平面型セル部は、次の部材：
（Ａ）レーザー光透過性の円形平板面をリング状支持体に支持した光透過平板面部材、
（Ｂ）円形の平板面に希ガスの導入管部と核スピン偏極希ガスの導出管部を垂直もしくは略垂直に立設して開孔させた気体導入出平板面部材、
（Ｃ）前記（Ａ）と（Ｂ）の部材の接続用金具
により接続一体化され、必要に応じて分離可能な構造により構成されていることを特徴とする上記いずれかの核スピン偏極希ガスの製造装置。
【００２２】
第４：光ポンピング用触媒は、気体導入部側に設置されたバルブに接続されて設置された触媒溜より（Ａ）光透過平板面部材のレーザー光透過性の平板面に移送されることを特徴とする上記第３の核スピン偏極希ガスの製造装置。
【００２３】
第５：上記第１から第４のうちのいずれかの核スピン偏極希ガスの製造装置と連結されて、該製造装置により生成された核スピン偏極希ガスを用いることを特徴とする核磁気共鳴分光装置。
【００２４】
第６：上記第１から第４のうちのいずれかの核スピン偏極希ガスの製造装置と連結されて、該製造装置により生成された核スピン偏極希ガスを用いることを特徴とする核磁気共鳴イメージング装置。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、発明者らのこれまでの提案に係わる顕著な特徴と効果を奏する偏極希ガスの製造装置を更に発展させ、バッチ方式とフローセル方式の双方の特徴を生かし、しかも装置そのものの製造、組立て、メンテナンスが容易であって、かつ偏極希ガスの生成効率とその利用効率性にも優れたシステムを構成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
添付した図面の図１および図２は、本発明の核スピン偏極希ガスの製造装置の一実施形態を例示したブロック構成図であり、図３および図４は、本発明の平面型セル部の一実施形態を例示した断面概要図と断面斜視図である。
【００２７】
これらの図面に沿って以下に説明する。
【００２８】
まず図１は、本発明の製造装置について、光ボンピング用触媒の平面型セル部への移送の場合として示したものである。
【００２９】
核スピン偏極希ガス装置では、この図１に例示したように、バルブ５１およびバルブ５２を閉じ、バルブ５３、バルブ５４、バルブ５５、バルブ５６を開き、超高真空排気系５７により、平面型セル部５８、および触媒溜５９の内部の真空排気を行う。加熱装置６０により、触媒溜５９の触媒を平面型セル部５８に移送する。加熱装置６０を止めて室温まで冷却した後、バルブ５４、およびバルブ５５を閉じ、バルブ５２を開いて高純度窒素ガスを導入して真空計６１により大気圧になったことを確認した後、バルブ５２、およびバルブ５３を閉じ、分離機構６２および６３により、平面型セル部５８、バルブ５１、およびバルブ５３のユニットを分離する。
【００３０】
上記の手順により平面型セル部５８には、より具体的には、たとえば平面型セル部を構成するレーザー光透過性の平板面上に、気体状で導入された後に冷却により固体状となったルビジウム（Ｒｂ）等の光ポンピング用触媒が付着される。
【００３１】
次いで、希ガスの導入によって核スピン偏極希ガスを生成させることになるが、これは、図２に例示したように行うことができる。
【００３２】
平面型セル部５８、バルブ５１、およびバルブ５３を、分離機構６２により極細キャピラリー管６４、および分離機構６３により気体導入部６５に接続する。バルブ６６を閉じ、バルブ６７を開いて、高真空排気装置６８により気体導入部６５の内部の真空排気を行い、真空計６９により充分な排気が行われたことを確認の後、バルブ６７を閉じバルブ６６を開いて、高純度希ガスを導入する。真空計６９により大気圧になったことを確認の後、バルブ６６を開き平面型セル部５８に希ガスを導入する。加熱装置７０により平面型セル部５８を加熱した後、レーザー光照射装置７１によりレーザー光を照射する。この時、磁場発生装置７２により平面型セル部５８には均一な磁場が印加されている。バルブ６２を開くことにより、極細キャピラリー管６４から核スピン偏極希ガスを取り出すことができる。
【００３３】
図１および図２からもわかるように、本発明の装置では、バルブ５１、５３に付設されている分離機構６２、６３によって、光ポンピング用触媒の平面型セル部５８への移送と、希ガスの導入による核スピン偏極希ガスの生成が随時、簡便に切換え可能であって、希ガスの導入と停止、生成した偏極希ガスの導出とその停止も随時に簡便に行うことができる。
【００３４】
このような特徴のある本発明の製造装置の平面型セル部５８については、図３、図４を例示することができる。
【００３５】
光透過平板面部材１０１と気体導入出平板面部材１０２は固定用ボルトにて一体化されている。気体導入出平板面部材１０２は、希ガスの導入部１０３と、核スピン偏極希ガスの導出部１０４、および冷却機構１０５から構成されている。冷却機構１０５は、光ポンピング用触媒が核スピン偏極希ガスの導出部１０４に流入することを防ぐために設けられている。
【００３６】
そして光透過平板部材１０１には、ガラス等の円形平板面１０１Ａが設けられ、リング状支持体１０１Ｂに支持されているとともに、このものは、気体導入出平板面部１０２の平板面部１０２Ａに隙間を介して対向する。この隙間では、希ガスの導入にともなう核スピン偏極希ガスが生成されることになる。
【００３７】
たとえば図３、図４に例示した本発明の平面型セル部５８は、上記のような複数部材の組立て装着、そして脱着が極めて容易であって、再利用、メンテナンスも容易である。また、偏極希ガスの製造についての反応設計も安定して高効率なものとして簡便に実現されることになる。
【００３８】
図５は、本発明の実施の形態に係る核スピン偏極希ガス製造装置全体の概略構成を例示した図である。
【００３９】
この実施形態では、希ガスボンベ２と、これに接続したマスフローコントローラー３を用いて、希ガス供給ライン１１から流量５〜１００ｓｃｃｍ、好ましくは１０〜３０ｓｃｃｍの希ガスを偏極希ガス生成のための平面型セル部５８に供給できるようになっている。
【００４０】
また、希ガス供給ライン１１には、さらにパージ用の窒素ガス供給ライン６と窒素ガスボンベ４が接続されていて、希ガス供給装置３０と偏極希ガス製造装置３１を洗浄、パージできるようになっている。
【００４１】
偏極希ガス製造装置３１は、平面型セル部５８と、光ポンピング用磁石７２と、光ポンピング励起用光源７１と、極細キャピラリー管６４から概略構成されている。
【００４２】
平面型セル部５８の上流には、希ガス供給装置３０が接続されている。
【００４３】
平面型セル部５８の平面方向側方には、光ポンピング励起用光源７１と光ポンピング用磁石７２が配置されていて、平面型セル部５８内にレーザー光を照射すると共に磁場を印加して、希ガスを核スピン偏極できるようになっている。
【００４４】
極細キャピラリー管６４は、図５の例では核磁気共鳴分光装置１に連結されており、生成されて極細キャピラリー管６４により導かれた核スピン偏極希ガスが直ちに利用できるようにされている。なお、核磁気共鳴分光装置１は、希ガス用にチューニングされた市販の装置を用いることができ、また、このものは、核磁気共鳴イメージング装置であってもよいことは言うまでもない。
【００４５】
たとえば図５のような全体システムを構成することのできる本発明の装置では、図１に例示した触媒溜５９は、円筒状または直方体状のステンレス製の容器で、内部にアルカリ金属を封入したガラスアンプルをそのまま収容できる大きさのものである。
【００４６】
そして、図３、図４に示すように、平面型セル部５８は、光透過平板面部材１０１と気体導入出平板面部材１０２は固定用ボルトにて一体化されており、気体導入出平板面部材１０２は、希ガスの導入部１０３と、核スピン偏極希ガスの導出部１０４、および冷却機構１０５から構成される。冷却機構１０５は、光ポンピング用触媒が核スピン偏極希ガスの導出部１０４に流入することを防ぐために設けられている。上流側の希ガスの導入部１０３には、バルブ５３が接続されている。平面型セル部５８に設けられた下流側にはバルブ５１が接続されている。
【００４７】
光透過平板面部材１０１は、たとえば、ガラス製等のレーザー光透過性の円形平板面１０１Ａをリング状支持体１０１Ｂに支持したものとして構成される。ここで、レーザー光透過性の円形平板面１０１Ａに用いられるガラスとしては、石英ガラスが好ましい。ガラス等のレーザー光透過性の円形平板面１０１Ａは、たとえば図３、図４の気体導入出平板面部１０２の平板面部と対向することになるが、このものと円形平板面１０１Ａとの間の隙間は、一般的には、0.3〜２ｍｍの範囲とすることが、より好ましくは0.5〜１ｍｍの範囲とすることが考慮される。
【００４８】
極細キャピラリー管６４は、内径０．１〜１．２５ｍｍ、好ましくは内径０．２〜０．８ｍｍ、特に好ましくは内径０．２５〜０．５３ｍｍ、長さ１〜２２ｍ、好ましくは３〜１０ｍの管である。極細キャピラリー管６４は１本のチューブからなり、途中に継目を設けないのが、スピン緩和の発生を抑制する点から好ましい。
【００４９】
極細キャピラリー管６４の内径を０．１〜１．２５ｍｍとすることにより、柔軟性に富み、曲げても折れたりしないため、衝撃による割れ・破損を防止して取り扱いを容易とすることができる。また、極細キャピラリー管６４内の体積を、従来の太い配管の場合と比べて減少させられるため、単位体積当たりの核スピン偏極希ガスの移動速度を速めて流通させることができる。その結果、核スピン偏極希ガスが極細キャピラリー管６４の内壁と衝突するのを低減できるため、スピン緩和の発生を抑制することができる。そして、長さ１〜２２ｍの距離であっても、ＮＭＲ信号強度の低下を起こさないで送給することができる。
【００５０】
極細キャピラリー管６４としては、溶融シリカ、ガラス、樹脂等からなる市販のガスクロマトグラフ用キャピラリー管を用いることができる。そのなかでも、スピン緩和の発生を抑制する点から、溶融シリカが好ましい。このようなものとしては、例えば、ジーエルサイエンス製未処理ヒューズドシリカキャピラリーチューブ（内径０．５３ｍｍ、０．２５ｍｍ）、及び、不活性処理ヒューズドシリカキャピラリーチューブ（内径０．５３ｍｍ、０．２５ｍｍ）が挙げられる。
【００５１】
また、図５に示したように、平面型セル部５８の平面方向側面の上方及び下方には、光ポンピング用磁石７２が配置されるが、平面型セル部５８を上下方向から挟むように光ポンピング用磁石７２を配置することで、平面型セル部５８の平面にガスが流れる方向と垂直もしくは略垂直の方向から、磁場を印加することができる。
【００５２】
光ポンピング用磁石７２としては、光を透過できるような空芯構造のヘルムホルツ型電磁石や永久磁石を用いることができる。光ポンピング用磁石７２が発生する磁場は、０．２×１０-2〜１０×１０-2Ｔ程度でよく、このような低磁場であっても充分希ガスを偏極させることができる。
【００５３】
平面型セル部５８の平面方向には、さらに光ポンピング励起用光源７１が配置されるが、この光ポンピング励起用光源７１としては、公知のランプ、レーザー等を使用することができる。そのなかでも、レーザーダイオードアレイが出力が高く線幅がシャープである点から好ましい。
【００５４】
光ポンピング励起用光源７１を、図５に示したように、光ポンピング用磁石７２の外側に配置した場合には、光ポンピング励起用光源７１から出射された光が、光ポンピング用磁石７２を通過して平面型セル部５８に到達できるよう、光ポンピング用磁石７２が光透過性を有することが必要である。この場合には、平面型セル部５８内を磁力線が通過する方向と、光ポンピング励起用光源７２から出射された光が入射する方向とは略同一方向になっている。
【００５５】
本実施形態では、核磁気共鳴計測装置１として、ＲＦ照射用コイルを一基有する核磁気共鳴分光装置を用いているが、複数のコイルを備えて勾配磁場を発生させるようにした磁気共鳴イメージング装置を用いてもよい。
【００５６】
極細キャピラリー管６４を用いて核スピン偏極希ガスを送給することにより、スピン緩和の発生が抑制されて、長さ１〜３０ｍの距離でも送給することができるため、平面型セル部５８と、核磁気共鳴計測装置１との距離を広く取って設置することができる。その結果、平面型セル部５８への核磁気共鳴計測装置１からのもれ磁場の影響を低減することができ、平面型セル部５８での核スピン偏極希ガスの生成量を向上させて、ＮＭＲ信号強度を増大させることができる。
【００５７】
次に、本実施形態に係る核スピン偏極希ガス製造装置３１による核スピン偏極希ガスの製造方法について説明する。
【００５８】
原料となる希ガスは、単原子分子からなり、核スピンを有するガスである。そのなかでも、スピン量子数１／２の核スピンを持つ質量数１２９のキセノン同位体（129Ｘｅ）、質量数３のヘリウム同位体（3Ｈｅ）が好ましい。スピン量子数が３／２や５／２の核スピンを持つガスでも核スピン偏極を起こすことは可能であるが、核四重極モーメントを介したスピン緩和を起こして核スピン偏極状態が短時間しか維持できないため、あまり好ましくない。また、3Ｈｅの天然存在比は０．０００１３８％であるため、濃縮する必要があるが、129Ｘｅの天然存在比は２６．４４％であるため、濃縮することなく使用できる点から、コスト等を考慮するとキセノンガスがより好ましい。
【００５９】
たとえば、１００％のキセノンガスを用いる。
【００６０】
また、光ポンピング剤であるアルカリ金属としては、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ナトリウム（Ｎａ）等が挙げられる。光ポンピング剤とは、円偏光された励起光の照射により、この基底状態準位にある電子が光吸収により励起されて励起状態準位を経由した後に基底状態準位に戻る際に、外部から印加された磁場によって磁気的に縮退が解かれた基底状態準位の内の電子準位の一方の準位に高い確率で遷移し、電子スピン偏極度が高い状態を作製することのできる性質を持つ物質をいう。そのなかでも、平面型セル部５８内を真空にして、気化させて送給する点から、蒸気圧の高いルビジウムが好ましい。
【００６１】
光ポンピング励起用光源７１の波長としては、使用するアルカリ金属の種類により励起可能な波長は異なるが、例えば、ルビジウムを用いた場合は、中心波長が、７９４．５〜７９５．１ｎｍであるのが好ましい。
【００６２】
また、光ポンピング励起用光源７１の出力は、偏極希ガス生成セル１４の大きさと希ガスの流量によって適宜定められるが、偏極希ガス生成セル１４内の希ガスをすべて核スピン偏極するには、出力が高いことが好ましく、例えば、１０〜２００Ｗであるのがより好ましい。
【００６３】
偏極希ガスを製造するには、光ポンピング剤であるアルカリ金属を偏極希ガス生成セル１４に導入してから、次いで希ガスを導入し、レーザー光を照射して、偏極させる。
【００６４】
まず、バルブ５１およびバルブ５２を閉じ、バルブ５３、バルブ５４、バルブ５５、バルブ５６を開き、超高真空排気系５７により、平面型セル部５８、および触媒溜５９の内部の真空排気を行う。加熱装置６０により、触媒溜５９の触媒を平面型セル部５８に移送する。加熱装置６０を止めて室温まで冷却した後、バルブ５４、およびバルブ５５を閉じ、バルブ５２を開いて高純度窒素ガスを導入して真空計６１により大気圧になったことを確認した後、バルブ５２、およびバルブ５３を閉じ、分離機構６２および６３により、平面型セル部５８、バルブ５１、およびバルブ５３を分離する。
【００６５】
次いで、平面型セル部５８、バルブ５１、およびバルブ５３を、分離機構６２により極細キャピラリー管６４、および分離機構６３により気体導入部６５に接続する。バルブ６６を閉じ、バルブ６７を開いて、高真空排気装置６８により気体導入部６５の内部の真空排気を行い、真空計６９により充分な排気が行われたことを確認の後、バルブ６７を閉じバルブ６６を開いて、高純度希ガスを導入する。真空計６９により大気圧になったことを確認の後、バルブ３を開き平面型セル部５８に希ガスを導入する。加熱装置７０により平面型セル部５８を加熱した後、レーザー光照射装置７１によりレーザー光を照射する。この時、磁場発生装置７２により平面型セル部５８には均一な磁場が印加されている。バルブ６２を開くことにより、極細キャピラリー管６４から核スピン偏極希ガスを取り出すことができる。
【００６６】
希ガスの流量を５〜１００ｓｃｃｍとすることにより、平面型セル部５８での生成速度と同程度の速度で、核スピン偏極希ガスを核磁気共鳴計測装置１に送給できるため、平面型セル部５８内に核スピン偏極希ガスが停留することがなく、内壁との衝突によるスピン緩和の発生を抑制することができる。また、極細キャピラリー管６４内を層流で送給できるため、極細キャピラリー管６４内壁との衝突によるスピン緩和の発生も抑制することができる。
【００６７】
次いで、生成した核スピン偏極希ガスを、極細キャピラリー管６４から核磁気共鳴計測装置１に送給して、ＮＭＲ信号強度を測定する。
【実施例】
【００６８】
以下、実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。本発明は、下記実施例に何ら制限されるものではない。
【００６９】
［実施例１］流量とＮＭＲ信号強度と関係
内径０．５３ｍｍで、長さが２ｍの溶融シリカからなる極細キャピラリー管（ジーエルサイエンス製 ヒューズドシリカキャピラリーチューブ）を用いて、核スピン偏極キセノンガスの流量を５、１０、１５、２０、２５、３０ｓｃｃｍと変化させながら、ＮＭＲ信号強度を測定した。
【００７０】
平面型セル部としては、前述のものを用いた。
【００７１】
キセノンガス（大陽日酸製、純度９９．９９５％）を、平面型セル部５８に導入し、レーザーダイオード（ＰＤ-ＬＤ社製）を用いて、波長７９４．７ｎｍ、半値幅０．５ｎｍ
、出力２７Ｗの光を照射した。また、リング状永久磁石（マグナ製）２個を用いて、１．２５×１０-2Ｔの磁場を平面型セル部５８に印加した。また、平面型セル部５８の温度は２００℃に設定した。
【００７２】
ＮＭＲ信号測定は、パルス式ＮＭＲ分光計（サムウェイ製）で信号の強度を測定した。測定条件は、磁場０．３Ｔ、周波数３．５７４ＭＨｚ、単一パルス後のＦＩＤ収集とした。核スピン偏極キセノンガスの流量とＮＭＲ信号強度との関係は、流量が２０ｓｃｃｍ付近で最大値を示した。平面型セル部５８における核スピン偏極希ガスの最大生成速度は、２０ｓｃｃｍ近傍に相当すると考えられる。
一方、核スピン偏極キセノンの実験時に用いるガラス管と同一寸法のガラス管に磁化率が既知の水を詰め、検出器に挿入した時に得られる信号を測定して偏極率計算の基準とした。熱平衡時のプロトンと偏極率１００％の１２９Ｘｅでの信号に寄与するスピン磁化の大きさ、１：１００００である。この関係を用いて、プロトンと１２９Ｘｅの磁気回転比と同体積の水及び核スピン偏極キセノンを使った実験で得られたＮＭＲ信号強度から、１２９Ｘｅの偏極率を見積もることができる。前記の信号強度と同体積の水を用いた構成で得られたＮＭＲ信号強度とから、１２９Ｘｅの偏極率の最大値として、８パーセントが得られた。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の核スピン偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置並びに磁気共鳴イメージング装置は、ヒトや動物の呼吸器、脳の診断に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の製造装置の構成に係わる一実施形態を光ポンピング用触媒の移送の場合として例示した構成ブロック図である。
【図２】本発明の製造装置の構成に係わる一実施形態を核スピン偏極希ガスの生成の場合として例示した構成ブロック図である。
【図３】平面型セル部５８の一実施形態を例示した断面概要図である。
【図４】図３に対応する断面斜視概要図である。
【図５】本発明の装置の全体構成の一実施形態を例示したブロック図である。
【符号の説明】
【００７５】
５８ 平板型セル部
５１、５２、５３、５４、５５、５６ バルブ
５７ 超高真空排気系
５９ 触媒溜
６０ 加熱装置
６２、６３ 分離機構
６４ 極細キャピラリー管
６５ 気体導入部
６６、６７ バルブ
７０ 加熱装置
７１ レーザー光照射装置
７２ 磁場発生装置
１０１ 光透過平板面部材
１０２ 気体導入出平板面部材
１０３ 気体導入部
１０４ 核スピン偏極希ガス導出部
１０５ 冷却機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核スピン偏極希ガスの製造装置と、この装置と連結されて、生成された核スピン偏極希ガスを用いる核磁気共鳴分光装置並びに核磁気共鳴イメージング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
常圧のガスは、液体や固体に比べ原子密度が低く、従来は核磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）や磁気共鳴イメージング法（ＭＲＩ）の対象とはなっていなかった。
【０００３】
しかしながら、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属の蒸気と、質量数１２９のキセノン同位体（129Ｘｅ）、質量数３のヘリウム同位体（SＨｅ）等のスピン量子数１／２の核スピンを持つ単原子分子からなる希ガスとを共存させ、円偏光レーザーを照射して電子スピン系を励起する（「光ポンピング」という。）と、希ガスのスピン系を偏らせる（偏極）ことができる。
【０００４】
これによりＮＭＲ信号強度が数万倍増強され、同体積の水を用いた場合と比べても１００倍以上強いＮＭＲ信号が得られることが報告されてから、偏極希ガスを用いたＮＭＲ／ＭＲＩ法が注目されるようになってきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
ここで、偏極とは、主静磁場に対する配向状態に対応する原子核の核スピンのエネルギー準位を占有するスピン数の分布が、熱平衡時におけるその分布（ボルツマン分布）に比べて、極端に偏っていることをいう。
【０００６】
偏極希ガスを生成する過程は、一般に光ポンピングと呼ばれている。この原理は、たとえば、まず、ルビジウムの基底状態準位にある電子が、光吸収により励起されて励起状態準位を経由した後、基底状態準位に戻る際、外部から印加した磁場によって磁気的に縮退が解かれたルビジウムの基底状態準位の内の電子準位の一方の準位に、高い確率で遷移して、ルビジウム分子の電子スピン偏極度が高い状態を形成する。そして、この高偏極状態のルビジウムがキセノン等の希ガスと衝突して、この過程でルビジウムの高偏極状態がキセノン等の希ガスの核スピン系に移動することによって、偏極した希ガスとなるものである。
【０００７】
具体的には、図５に示したように、光ポンピングによって、129Ｘｅの核スピンのエネルギー準位が分裂し、占有するスピン数の分布に偏り（スピン占有数差）を生じる。この光ポンピングの際に外部から印加される磁場は、１０-2Ｔ（テスラ）（１００ガウス）程度の低磁場である。この偏極した129Ｘｅを、このままの状態で測定するのではなく、さらに０．３Ｔ程度の高磁場の核磁気共鳴分光装置や磁気共鳴イメージング装置に導入することで、スピン占有数差を維持したままで、２つのエネルギー準位間の共鳴周波数を高くすることができるため、ＮＭＲ検出感度を向上することができる。
【０００８】
核スピン偏極希ガスを用いたＮＭＲ／ＭＲＩ法では、従来の一般的なＮＭＲ／ＭＲＩ法と異なり、必ずしもＮＭＲ信号を積算して測定することはしない。したがって、ＮＭＲ信号を１回しか測定しないため、核スピン偏極希ガス生成セルで光ポンピングにより生成した核スピン偏極希ガスを、そのスピン占有数差を維持したままで、核磁気共鳴分光装置や磁気共鳴イメージング装置まで送給するのが望ましい。
【０００９】
以上のような核スピン偏極希ガスの製造については希ガスを滞留させた状態で、すなわちバッチ方式による核スピン偏極希ガスに変換する方法や、フローセルを用いた連続的な変換を行う方法が各種提案されている。
【００１０】
しかしながら、従来の方法においては、いずれも偏極希ガスの生成効率が低く、その利用効率は利用能率が悪いという問題があったことから、本出願の発明者らは、これまでに以下の装置を提案している。
【００１１】
（１）固体ルビジウムと固体キセノンとが酸素不在の減圧状態で封入されたガラスセルを加温して気体キセノンと気液混合ルビジウムとする手段と、該ガラスセルに磁場をかけてレーザー光を照射する手段と、を具備し、更には、生成した核スピン偏極キセノンガスを取り出しながらキセノンガスを導入する手段と該操作を圧力が降下しないように制御する圧力調整手段とを具備することを特徴とする核スピン偏極希ガスの製造装置（特許文献２）。
【００１２】
（２）隙間を介して対向する平板面を有し、照射するレーザー光の光パワー密度が充分に生かせる範囲の照射面積を有する平面型フローセル部内の隙間に希ガスと光ポンピング用触媒の混合気体を一方向に流通させるとともに、隙間を有するフローセル部内には励起光を照射し、かつフローセル部の励起光照射面に垂直に磁力線が通過するように磁場を印加するようにした核スピン偏極希ガスの製造装置（特許文献１）。
【００１３】
上記の新しい装置（１）においては、従来のバッチ方式の手段では、キセノンを、たとえばヘリウム２％キセノン濃度程度に薄めて偏極させ、生成したキセノンを含むガスを液体窒素で凍らせ、これを加温してキセノンのみを取りだし、高濃度キセノンガスを製造していたので、極めて作業能率が悪い問題があり、また、従来のガス等を滞留させて偏極させる装置は、連続的に偏極希ガスを発生させることができないので、いちいち偏極ガスを別の容器に取り出してＮＭＲ装置等まで運ぶため手間がかかり、またその間に偏極率が減少するという問題があったが、このような問題点を解消して、凍らせなくとも高濃度の偏極キセノンガスを得られると共に連続的に偏極キセノンガスを発生させることができるようにしたものである。
【００１４】
一方、発明者の提案に係わる装置（２）では、フローセルの形状と励起光源を改良して、安全にガスを流しながら偏極率をさらに向上させた偏極希ガスの製造装置とこの装置を用いての偏極率の高い希ガスを製造する方法を提案することを課題としている。そしてまた、この出願の発明は、このような改良された装置と方法によって連続的に偏極希ガスを発生させた後に、偏極率を減少させずに短時間でＮＭＲ・ＭＲＩ測定を行えるようにし、この装置を用いることで、検出感度の高い測定時間の短い極微小領域での検出が可能なＮＭＲ・ＭＲＩ測定を実現可能としている。
【００１５】
さらにまた、発明者らは、核スピン偏極希ガスのスピン占有数差が減少して、ボルツマン分布の状態に近づく現象を「スピン緩和」と呼ぶが、このスピン緩和が起ると、ＮＭＲ信号強度が減少するため好ましくなく、スピン緩和の起る主な原因としては、セルや配管等の内壁と衝突によって、核スピン偏極希ガスの電子雲がひずむことが考えられることから、スピン緩和の発生を抑制して、長距離送給しても核スピン偏極希ガスのＮＭＲ信号強度が低下しない核スピン偏極希ガス製造装置と、この核スピン偏極希ガス製造装置を組み込んだ核スピン偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置並びに磁気共鳴イメージング装置を提供するためには、希ガスをアルカリ金属存在したで光ポンピングして核スピン偏極希ガスを生成する核スピン偏極希ガス生成セルと、前記の偏極希ガス生成セルの下流に、内径０．１〜１．２５ｍｍの極細キャピラリー管を備えることが有効であることを見出し、改善された新しい装置を提案してもいる。
【特許文献１】特開２００３−２４５２６３号公報
【特許文献２】特開２００４−２６２６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記のとおりの発明者らのこれまで提案の装置や方法は各々の特徴を有し、優れた効果を奏するものであるが、バッチ方式とフローセル方式の双方の特徴を生かし、しかも装置そのものの製造、組立て、メンテナンスが容易であって、かつ偏極希ガスの生成効率とその利用効率性にも優れたシステムを構成するとの観点においては検討すべき余地が残されていた。
【００１７】
そこで、本発明は、以上の課題を解決することのできる新しい核スピン偏極希ガスの製造装置を提供し、これを核磁気共鳴分光装置、あるいは核磁気共鳴イメージング装置へ利用することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するものとして、以下の装置を提供する。
【００１９】
第１：隙間を介して対向する平板面を有し、隙間には希ガスと光ポンピング用触媒の混合気体が流通する平面型セル部と、レーザー光を照射して平面型セル内に励起用光を照射するレーザー光照射部と、平板面に垂直もしくは略垂直に磁力線が通過するようにした磁場印加部と、平面型セル部の温度調節部とを備えた核スピン偏極希ガスの製造装置であって、前記平面型セル部は、少なくとも平板面の一方がレーザー光透過性とし、希ガス導入のための気体導入部と生成された核スピン偏極希ガスの導出部を有し、気体導入部は希ガスの導入とその停止が、バルブを開けた時に気体導入のための上流側から平面型セル部である下流側を見通すことが可能な構造のバルブにより切換え自在とされているとともに、核スピン偏極希ガスの導出部は平面型セル部である上流側から生成された核スピン偏極希ガスの導出部となる下流側を見通すことが可能な構造のバルブにより導出と停止が切換え自在とされ、かつ、該導出部には極細キャピラリー管が連結と脱着可能に設けられていることを特徴とする核スピン偏極希ガスの製造装置。なお、上記のバルブについての「見直す」との言葉は、バルブを開放した時にバルブの前方位置から後方までを見る、見直すことができることを意味している。たとえばゲートバルブ等においてこの「見直す」ことが可能とされている。
【００２０】
第２：平面型セル部は、光ポンピング用触媒の供給部を、気体導入部と一体または別体として備えていることを特徴とする上記の核スピン偏極希ガスの製造装置。
【００２１】
第３：平面型セル部は、次の部材：
（Ａ）レーザー光透過性の円形平板面をリング状支持体に支持した光透過平板面部材、
（Ｂ）円形の平板面に希ガスの導入管部と核スピン偏極希ガスの導出管部を垂直もしくは略垂直に立設して開孔させた気体導入出平板面部材、
（Ｃ）前記（Ａ）と（Ｂ）の部材の接続用金具
により接続一体化され、必要に応じて分離可能な構造により構成されていることを特徴とする上記いずれかの核スピン偏極希ガスの製造装置。
【００２２】
第４：光ポンピング用触媒は、気体導入部側に設置されたバルブに接続されて設置された触媒溜より（Ａ）光透過平板面部材のレーザー光透過性の平板面に移送されることを特徴とする上記第３の核スピン偏極希ガスの製造装置。
【００２３】
第５：上記第１から第４のうちのいずれかの核スピン偏極希ガスの製造装置と連結されて、該製造装置により生成された核スピン偏極希ガスを用いることを特徴とする核磁気共鳴分光装置。
【００２４】
第６：上記第１から第４のうちのいずれかの核スピン偏極希ガスの製造装置と連結されて、該製造装置により生成された核スピン偏極希ガスを用いることを特徴とする核磁気共鳴イメージング装置。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、発明者らのこれまでの提案に係わる顕著な特徴と効果を奏する偏極希ガスの製造装置を更に発展させ、バッチ方式とフローセル方式の双方の特徴を生かし、しかも装置そのものの製造、組立て、メンテナンスが容易であって、かつ偏極希ガスの生成効率とその利用効率性にも優れたシステムを構成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
添付した図面の図１および図２は、本発明の核スピン偏極希ガスの製造装置の一実施形態を例示したブロック構成図であり、図３および図４は、本発明の平面型セル部の一実施形態を例示した断面概要図と断面斜視図である。
【００２７】
これらの図面に沿って以下に説明する。
【００２８】
まず図１は、本発明の製造装置について、光ボンピング用触媒の平面型セル部への移送の場合として示したものである。
【００２９】
核スピン偏極希ガス装置では、この図１に例示したように、バルブ５１およびバルブ５２を閉じ、バルブ５３、バルブ５４、バルブ５５、バルブ５６を開き、超高真空排気系５７により、平面型セル部５８、および触媒溜５９の内部の真空排気を行う。加熱装置６０により、触媒溜５９の触媒を平面型セル部５８に移送する。加熱装置６０を止めて室温まで冷却した後、バルブ５４、およびバルブ５５を閉じ、バルブ５２を開いて高純度窒素ガスを導入して真空計６１により大気圧になったことを確認した後、バルブ５２、およびバルブ５３を閉じ、分離機構６２および６３により、平面型セル部５８、バルブ５１、およびバルブ５３のユニットを分離する。
【００３０】
上記の手順により平面型セル部５８には、より具体的には、たとえば平面型セル部を構成するレーザー光透過性の平板面上に、気体状で導入された後に冷却により固体状となったルビジウム（Ｒｂ）等の光ポンピング用触媒が付着される。
【００３１】
次いで、希ガスの導入によって核スピン偏極希ガスを生成させることになるが、これは、図２に例示したように行うことができる。
【００３２】
平面型セル部５８、バルブ５１、およびバルブ５３を、分離機構６２により極細キャピラリー管６４、および分離機構６３により気体導入部６５に接続する。バルブ６６を閉じ、バルブ６７を開いて、高真空排気装置６８により気体導入部６５の内部の真空排気を行い、真空計６９により充分な排気が行われたことを確認の後、バルブ６７を閉じバルブ６６を開いて、高純度希ガスを導入する。真空計６９により大気圧になったことを確認の後、バルブ６６を開き平面型セル部５８に希ガスを導入する。加熱装置７０により平面型セル部５８を加熱した後、レーザー光照射装置７１によりレーザー光を照射する。この時、磁場発生装置７２により平面型セル部５８には均一な磁場が印加されている。バルブ６２を開くことにより、極細キャピラリー管６４から核スピン偏極希ガスを取り出すことができる。
【００３３】
図１および図２からもわかるように、本発明の装置では、バルブ５１、５３に付設されている分離機構６２、６３によって、光ポンピング用触媒の平面型セル部５８への移送と、希ガスの導入による核スピン偏極希ガスの生成が随時、簡便に切換え可能であって、希ガスの導入と停止、生成した偏極希ガスの導出とその停止も随時に簡便に行うことができる。
【００３４】
このような特徴のある本発明の製造装置の平面型セル部５８については、図３、図４を例示することができる。
【００３５】
光透過平板面部材１０１と気体導入出平板面部材１０２は固定用ボルトにて一体化されている。気体導入出平板面部材１０２は、希ガスの導入部１０３と、核スピン偏極希ガスの導出部１０４、および冷却機構１０５から構成されている。冷却機構１０５は、光ポンピング用触媒が核スピン偏極希ガスの導出部１０４に流入することを防ぐために設けられている。
【００３６】
そして光透過平板部材１０１には、ガラス等の円形平板面１０１Ａが設けられ、リング状支持体１０１Ｂに支持されているとともに、このものは、気体導入出平板面部１０２の平板面部１０２Ａに隙間を介して対向する。この隙間では、希ガスの導入にともなう核スピン偏極希ガスが生成されることになる。
【００３７】
たとえば図３、図４に例示した本発明の平面型セル部５８は、上記のような複数部材の組立て装着、そして脱着が極めて容易であって、再利用、メンテナンスも容易である。また、偏極希ガスの製造についての反応設計も安定して高効率なものとして簡便に実現されることになる。
【００３８】
図５は、本発明の実施の形態に係る核スピン偏極希ガス製造装置全体の概略構成を例示した図である。
【００３９】
この実施形態では、希ガスボンベ２と、これに接続したマスフローコントローラー３を用いて、希ガス供給ライン１１から流量５〜１００ｓｃｃｍ、好ましくは１０〜３０ｓｃｃｍの希ガスを偏極希ガス生成のための平面型セル部５８に供給できるようになっている。
【００４０】
また、希ガス供給ライン１１には、さらにパージ用の窒素ガス供給ライン６と窒素ガスボンベ４が接続されていて、希ガス供給装置３０と偏極希ガス製造装置３１を洗浄、パージできるようになっている。
【００４１】
偏極希ガス製造装置３１は、平面型セル部５８と、光ポンピング用磁石７２と、光ポンピング励起用光源７１と、極細キャピラリー管６４から概略構成されている。
【００４２】
平面型セル部５８の上流には、希ガス供給装置３０が接続されている。
【００４３】
平面型セル部５８の平面方向側方には、光ポンピング励起用光源７１と光ポンピング用磁石７２が配置されていて、平面型セル部５８内にレーザー光を照射すると共に磁場を印加して、希ガスを核スピン偏極できるようになっている。
【００４４】
極細キャピラリー管６４は、図５の例では核磁気共鳴分光装置１に連結されており、生成されて極細キャピラリー管６４により導かれた核スピン偏極希ガスが直ちに利用できるようにされている。なお、核磁気共鳴分光装置１は、希ガス用にチューニングされた市販の装置を用いることができ、また、このものは、核磁気共鳴イメージング装置であってもよいことは言うまでもない。
【００４５】
たとえば図５のような全体システムを構成することのできる本発明の装置では、図１に例示した触媒溜５９は、円筒状または直方体状のステンレス製の容器で、内部にアルカリ金属を封入したガラスアンプルをそのまま収容できる大きさのものである。
【００４６】
そして、図３、図４に示すように、平面型セル部５８は、光透過平板面部材１０１と気体導入出平板面部材１０２は固定用ボルトにて一体化されており、気体導入出平板面部材１０２は、希ガスの導入部１０３と、核スピン偏極希ガスの導出部１０４、および冷却機構１０５から構成される。冷却機構１０５は、光ポンピング用触媒が核スピン偏極希ガスの導出部１０４に流入することを防ぐために設けられている。上流側の希ガスの導入部１０３には、バルブ５３が接続されている。平面型セル部５８に設けられた下流側にはバルブ５１が接続されている。
【００４７】
光透過平板面部材１０１は、たとえば、ガラス製等のレーザー光透過性の円形平板面１０１Ａをリング状支持体１０１Ｂに支持したものとして構成される。ここで、レーザー光透過性の円形平板面１０１Ａに用いられるガラスとしては、石英ガラスが好ましい。ガラス等のレーザー光透過性の円形平板面１０１Ａは、たとえば図３、図４の気体導入出平板面部１０２の平板面部と対向することになるが、このものと円形平板面１０１Ａとの間の隙間は、一般的には、0.3〜２ｍｍの範囲とすることが、より好ましくは0.5〜１ｍｍの範囲とすることが考慮される。
【００４８】
極細キャピラリー管６４は、内径０．１〜１．２５ｍｍ、好ましくは内径０．２〜０．８ｍｍ、特に好ましくは内径０．２５〜０．５３ｍｍ、長さ１〜２２ｍ、好ましくは３〜１０ｍの管である。極細キャピラリー管６４は１本のチューブからなり、途中に継目を設けないのが、スピン緩和の発生を抑制する点から好ましい。
【００４９】
極細キャピラリー管６４の内径を０．１〜１．２５ｍｍとすることにより、柔軟性に富み、曲げても折れたりしないため、衝撃による割れ・破損を防止して取り扱いを容易とすることができる。また、極細キャピラリー管６４内の体積を、従来の太い配管の場合と比べて減少させられるため、単位体積当たりの核スピン偏極希ガスの移動速度を速めて流通させることができる。その結果、核スピン偏極希ガスが極細キャピラリー管６４の内壁と衝突するのを低減できるため、スピン緩和の発生を抑制することができる。そして、長さ１〜２２ｍの距離であっても、ＮＭＲ信号強度の低下を起こさないで送給することができる。
【００５０】
極細キャピラリー管６４としては、溶融シリカ、ガラス、樹脂等からなる市販のガスクロマトグラフ用キャピラリー管を用いることができる。そのなかでも、スピン緩和の発生を抑制する点から、溶融シリカが好ましい。このようなものとしては、例えば、ジーエルサイエンス製未処理ヒューズドシリカキャピラリーチューブ（内径０．５３ｍｍ、０．２５ｍｍ）、及び、不活性処理ヒューズドシリカキャピラリーチューブ（内径０．５３ｍｍ、０．２５ｍｍ）が挙げられる。
【００５１】
また、図５に示したように、平面型セル部５８の平面方向側面の上方及び下方には、光ポンピング用磁石７２が配置されるが、平面型セル部５８を上下方向から挟むように光ポンピング用磁石７２を配置することで、平面型セル部５８の平面にガスが流れる方向と垂直もしくは略垂直の方向から、磁場を印加することができる。
【００５２】
光ポンピング用磁石７２としては、光を透過できるような空芯構造のヘルムホルツ型電磁石や永久磁石を用いることができる。光ポンピング用磁石７２が発生する磁場は、０．２×１０-2〜１０×１０-2Ｔ程度でよく、このような低磁場であっても充分希ガスを偏極させることができる。
【００５３】
平面型セル部５８の平面方向には、さらに光ポンピング励起用光源７１が配置されるが、この光ポンピング励起用光源７１としては、公知のランプ、レーザー等を使用することができる。そのなかでも、レーザーダイオードアレイが出力が高く線幅がシャープである点から好ましい。
【００５４】
光ポンピング励起用光源７１を、図５に示したように、光ポンピング用磁石７２の外側に配置した場合には、光ポンピング励起用光源７１から出射された光が、光ポンピング用磁石７２を通過して平面型セル部５８に到達できるよう、光ポンピング用磁石７２が光透過性を有することが必要である。この場合には、平面型セル部５８内を磁力線が通過する方向と、光ポンピング励起用光源７２から出射された光が入射する方向とは略同一方向になっている。
【００５５】
本実施形態では、核磁気共鳴計測装置１として、ＲＦ照射用コイルを一基有する核磁気共鳴分光装置を用いているが、複数のコイルを備えて勾配磁場を発生させるようにした磁気共鳴イメージング装置を用いてもよい。
【００５６】
極細キャピラリー管６４を用いて核スピン偏極希ガスを送給することにより、スピン緩和の発生が抑制されて、長さ１〜３０ｍの距離でも送給することができるため、平面型セル部５８と、核磁気共鳴計測装置１との距離を広く取って設置することができる。その結果、平面型セル部５８への核磁気共鳴計測装置１からのもれ磁場の影響を低減することができ、平面型セル部５８での核スピン偏極希ガスの生成量を向上させて、ＮＭＲ信号強度を増大させることができる。
【００５７】
次に、本実施形態に係る核スピン偏極希ガス製造装置３１による核スピン偏極希ガスの製造方法について説明する。
【００５８】
原料となる希ガスは、単原子分子からなり、核スピンを有するガスである。そのなかでも、スピン量子数１／２の核スピンを持つ質量数１２９のキセノン同位体（129Ｘｅ）、質量数３のヘリウム同位体（3Ｈｅ）が好ましい。スピン量子数が３／２や５／２の核スピンを持つガスでも核スピン偏極を起こすことは可能であるが、核四重極モーメントを介したスピン緩和を起こして核スピン偏極状態が短時間しか維持できないため、あまり好ましくない。また、3Ｈｅの天然存在比は０．０００１３８％であるため、濃縮する必要があるが、129Ｘｅの天然存在比は２６．４４％であるため、濃縮することなく使用できる点から、コスト等を考慮するとキセノンガスがより好ましい。
【００５９】
たとえば、１００％のキセノンガスを用いる。
【００６０】
また、光ポンピング剤であるアルカリ金属としては、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ナトリウム（Ｎａ）等が挙げられる。光ポンピング剤とは、円偏光された励起光の照射により、この基底状態準位にある電子が光吸収により励起されて励起状態準位を経由した後に基底状態準位に戻る際に、外部から印加された磁場によって磁気的に縮退が解かれた基底状態準位の内の電子準位の一方の準位に高い確率で遷移し、電子スピン偏極度が高い状態を作製することのできる性質を持つ物質をいう。そのなかでも、平面型セル部５８内を真空にして、気化させて送給する点から、蒸気圧の高いルビジウムが好ましい。
【００６１】
光ポンピング励起用光源７１の波長としては、使用するアルカリ金属の種類により励起可能な波長は異なるが、例えば、ルビジウムを用いた場合は、中心波長が、７９４．５〜７９５．１ｎｍであるのが好ましい。
【００６２】
また、光ポンピング励起用光源７１の出力は、偏極希ガス生成セル１４の大きさと希ガスの流量によって適宜定められるが、偏極希ガス生成セル１４内の希ガスをすべて核スピン偏極するには、出力が高いことが好ましく、例えば、１０〜２００Ｗであるのがより好ましい。
【００６３】
偏極希ガスを製造するには、光ポンピング剤であるアルカリ金属を偏極希ガス生成セル１４に導入してから、次いで希ガスを導入し、レーザー光を照射して、偏極させる。
【００６４】
まず、バルブ５１およびバルブ５２を閉じ、バルブ５３、バルブ５４、バルブ５５、バルブ５６を開き、超高真空排気系５７により、平面型セル部５８、および触媒溜５９の内部の真空排気を行う。加熱装置６０により、触媒溜５９の触媒を平面型セル部５８に移送する。加熱装置６０を止めて室温まで冷却した後、バルブ５４、およびバルブ５５を閉じ、バルブ５２を開いて高純度窒素ガスを導入して真空計６１により大気圧になったことを確認した後、バルブ５２、およびバルブ５３を閉じ、分離機構６２および６３により、平面型セル部５８、バルブ５１、およびバルブ５３を分離する。
【００６５】
次いで、平面型セル部５８、バルブ５１、およびバルブ５３を、分離機構６２により極細キャピラリー管６４、および分離機構６３により気体導入部６５に接続する。バルブ６６を閉じ、バルブ６７を開いて、高真空排気装置６８により気体導入部６５の内部の真空排気を行い、真空計６９により充分な排気が行われたことを確認の後、バルブ６７を閉じバルブ６６を開いて、高純度希ガスを導入する。真空計６９により大気圧になったことを確認の後、バルブ３を開き平面型セル部５８に希ガスを導入する。加熱装置７０により平面型セル部５８を加熱した後、レーザー光照射装置７１によりレーザー光を照射する。この時、磁場発生装置７２により平面型セル部５８には均一な磁場が印加されている。バルブ６２を開くことにより、極細キャピラリー管６４から核スピン偏極希ガスを取り出すことができる。
【００６６】
希ガスの流量を５〜１００ｓｃｃｍとすることにより、平面型セル部５８での生成速度と同程度の速度で、核スピン偏極希ガスを核磁気共鳴計測装置１に送給できるため、平面型セル部５８内に核スピン偏極希ガスが停留することがなく、内壁との衝突によるスピン緩和の発生を抑制することができる。また、極細キャピラリー管６４内を層流で送給できるため、極細キャピラリー管６４内壁との衝突によるスピン緩和の発生も抑制することができる。
【００６７】
次いで、生成した核スピン偏極希ガスを、極細キャピラリー管６４から核磁気共鳴計測装置１に送給して、ＮＭＲ信号強度を測定する。
【実施例】
【００６８】
以下、実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。本発明は、下記実施例に何ら制限されるものではない。
【００６９】
［実施例１］流量とＮＭＲ信号強度と関係
内径０．５３ｍｍで、長さが２ｍの溶融シリカからなる極細キャピラリー管（ジーエルサイエンス製 ヒューズドシリカキャピラリーチューブ）を用いて、核スピン偏極キセノンガスの流量を５、１０、１５、２０、２５、３０ｓｃｃｍと変化させながら、ＮＭＲ信号強度を測定した。
【００７０】
平面型セル部としては、前述のものを用いた。
【００７１】
キセノンガス（大陽日酸製、純度９９．９９５％）を、平面型セル部５８に導入し、レーザーダイオード（ＰＤ-ＬＤ社製）を用いて、波長７９４．７ｎｍ、半値幅０．５ｎｍ
、出力２７Ｗの光を照射した。また、リング状永久磁石（マグナ製）２個を用いて、１．２５×１０-2Ｔの磁場を平面型セル部５８に印加した。また、平面型セル部５８の温度は２００℃に設定した。
【００７２】
ＮＭＲ信号測定は、パルス式ＮＭＲ分光計（サムウェイ製）で信号の強度を測定した。測定条件は、磁場０．３Ｔ、周波数３．５７４ＭＨｚ、単一パルス後のＦＩＤ収集とした。核スピン偏極キセノンガスの流量とＮＭＲ信号強度との関係は、流量が２０ｓｃｃｍ付近で最大値を示した。平面型セル部５８における核スピン偏極希ガスの最大生成速度は、２０ｓｃｃｍ近傍に相当すると考えられる。
一方、核スピン偏極キセノンの実験時に用いるガラス管と同一寸法のガラス管に磁化率が既知の水を詰め、検出器に挿入した時に得られる信号を測定して偏極率計算の基準とした。熱平衡時のプロトンと偏極率１００％の１２９Ｘｅでの信号に寄与するスピン磁化の大きさ、１：１００００である。この関係を用いて、プロトンと１２９Ｘｅの磁気回転比と同体積の水及び核スピン偏極キセノンを使った実験で得られたＮＭＲ信号強度から、１２９Ｘｅの偏極率を見積もることができる。前記の信号強度と同体積の水を用いた構成で得られたＮＭＲ信号強度とから、１２９Ｘｅの偏極率の最大値として、８パーセントが得られた。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の核スピン偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置並びに磁気共鳴イメージング装置は、ヒトや動物の呼吸器、脳の診断に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の製造装置の構成に係わる一実施形態を光ポンピング用触媒の移送の場合として例示した構成ブロック図である。
【図２】本発明の製造装置の構成に係わる一実施形態を核スピン偏極希ガスの生成の場合として例示した構成ブロック図である。
【図３】平面型セル部５８の一実施形態を例示した断面概要図である。
【図４】図３に対応する断面斜視概要図である。
【図５】本発明の装置の全体構成の一実施形態を例示したブロック図である。
【符号の説明】
【００７５】
５８ 平板型セル部
５１、５２、５３、５４、５５、５６ バルブ
５７ 超高真空排気系
５９ 触媒溜
６０ 加熱装置
６２、６３ 分離機構
６４ 極細キャピラリー管
６５ 気体導入部
６６、６７ バルブ
７０ 加熱装置
７１ レーザー光照射装置
７２ 磁場発生装置
１０１ 光透過平板面部材
１０２ 気体導入出平板面部材
１０３ 気体導入部
１０４ 核スピン偏極希ガス導出部
１０５ 冷却機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
隙間を介して対向する平板面を有し、隙間には希ガスと光ポンピング用触媒の混合気体が流通する平面型セル部と、レーザー光を照射して平面型セル内に励起用光を照射するレーザー光照射部と、平板面に垂直もしくは略垂直に磁力線が通過するようにした磁場印加部と、平面型セル部の温度調節部とを備えた核スピン偏極希ガスの製造装置であって、前記平面型セル部は、少なくとも平板面の一方がレーザー光透過性とし、希ガス導入のための気体導入部と生成された核スピン偏極希ガスの導出部を有し、気体導入部は希ガスの導入とその停止が、バルブを開けた時に気体導入のための上流側から平面型セル部である下流側を見通すことが可能な構造のバルブにより切換え自在とされているとともに、核スピン偏極希ガスの導出部は平面型セル部である上流側から生成された核スピン偏極希ガスの導出部となる下流側を見通すことが可能な構造のバルブにより導出と停止が切換え自在とされ、かつ、該導出部には極細キャピラリー管が連結と脱着可能に設けられていることを特徴とする核スピン偏極希ガスの製造装置。
【請求項２】
平面型セル部は、光ポンピング用触媒の供給部を、気体導入部と一体または別体として備えていることを特徴とする請求項１に記載の核スピン偏極希ガスの製造装置。
【請求項３】
平面型セル部は、次の部材：
（Ａ）レーザー光透過性の円形平板面をリング状支持体に支持した光透過平板面部材、
（Ｂ）円形の平板面に希ガスの導入管部と核スピン偏極希ガスの導出管部を垂直もしくは略垂直に立設して開孔させた気体導入出平板面部材、
（Ｃ）前記（Ａ）と（Ｂ）の部材の接続用金具
により接続一体化され、必要に応じて分離可能な構造により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の核スピン偏極希ガスの製造装置。
【請求項４】
光ポンピング用触媒は、気体導入部側に設置されたバルブに接続されて設置された触媒溜より（Ａ）光透過平板面部材のレーザー光透過性の平板面に移送されることを特徴とする請求項３に記載の核スピン偏極希ガスの製造装置。
【請求項５】
請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の核スピン偏極希ガスの製造装置と連結されて、該製造装置により生成された核スピン偏極希ガスを用いることを特徴とする核磁気共鳴分光装置。
【請求項６】
請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の核スピン偏極希ガスの製造装置と連結されて、該製造装置により生成された核スピン偏極希ガスを用いることを特徴とする核磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１】
隙間を介して対向する平板面を有し、隙間には希ガスと光ポンピング用触媒の混合気体が流通する平面型セル部と、レーザー光を照射して平面型セル内に励起用光を照射するレーザー光照射部と、平板面に垂直もしくは略垂直に磁力線が通過するようにした磁場印加部と、平面型セル部の温度調節部とを備えた核スピン偏極希ガスの製造装置であって、前記平面型セル部は、少なくとも平板面の一方がレーザー光透過性とし、希ガス導入のための気体導入部と生成された核スピン偏極希ガスの導出部を有し、気体導入部は希ガスの導入とその停止が、バルブを開けた時に気体導入のための上流側から平面型セル部である下流側を見通すことが可能な構造のバルブにより切換え自在とされているとともに、核スピン偏極希ガスの導出部は平面型セル部である上流側から生成された核スピン偏極希ガスの導出部となる下流側を見通すことが可能な構造のバルブにより導出と停止が切換え自在とされ、かつ、該導出部には極細キャピラリー管が連結と脱着可能に設けられていることを特徴とする核スピン偏極希ガスの製造装置。
【請求項２】
平面型セル部は、光ポンピング用触媒の供給部を、気体導入部と一体または別体として備えていることを特徴とする請求項１に記載の核スピン偏極希ガスの製造装置。
【請求項３】
平面型セル部は、次の部材：
（Ａ）レーザー光透過性の円形平板面をリング状支持体に支持した光透過平板面部材、
（Ｂ）円形の平板面に希ガスの導入管部と核スピン偏極希ガスの導出管部を垂直もしくは略垂直に立設して開孔させた気体導入出平板面部材、
（Ｃ）前記（Ａ）と（Ｂ）の部材の接続用金具
により接続一体化され、必要に応じて分離可能な構造により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の核スピン偏極希ガスの製造装置。
【請求項４】
光ポンピング用触媒は、気体導入部側に設置されたバルブに接続されて設置された触媒溜より（Ａ）光透過平板面部材のレーザー光透過性の平板面に移送されることを特徴とする請求項３に記載の核スピン偏極希ガスの製造装置。
【請求項５】
請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の核スピン偏極希ガスの製造装置と連結されて、該製造装置により生成された核スピン偏極希ガスを用いることを特徴とする核磁気共鳴分光装置。
【請求項６】
請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の核スピン偏極希ガスの製造装置と連結されて、該製造装置により生成された核スピン偏極希ガスを用いることを特徴とする核磁気共鳴イメージング装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１２５９３０（Ｐ２００８−１２５９３０Ａ）
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１６４８５（Ｐ２００６−３１６４８５）
【出願日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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